cadence 带隙基准电压的设计

王旭 113163

一、设计指标

VDD=3V~6V Vref =1.27V PPM<20ppm/℃

二、电路原理图

三、原理分析

1、核心思想：利用PTA T 电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度及电源电压无关的基准电压。

2、详细机理分析

带隙电压基准的基本原理：

=∂+∂⋅-

+V V βα0V V T ++∂⎛⎫

> ⎪∂⎝⎭

0V V T --∂⎛⎫< ⎪∂⎝⎭

α

β

∑

REF V V αβ+-

=⋅+⋅

基准电压表达式 ： 双极型晶体管，其集电极电流（IC ）与基极-发射极电压（VBE ）关系为： 其中， 利用此公式推导得出VBE 电压的温度系数为

其中， 是硅的带隙能量。

当 时

这个温度系数本身就与温度有关。

正温度系数的产生机理：如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS ，IS 为双极型晶体管饱和

电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为

因此，VBE 的差值就表现出正温度系数

这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。

利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：

因为

因此令， 只要满足上式 ，便可得到零温度系数的VREF 。故有：

结合以上基本原理，现返回到最初选择的拓扑图，分别采用电流镜接法，M3、M4使得I1与I2电流相等，而M1与M2的电流镜接法又使得X 与Y 点的电位相等。

因而有： R I

n n

12T

I V VEB 2-VEB 1VR1==

=

REF V

V V

αβ+-

=⋅+⋅exp()

C S BE T I I V V =T V

kT q =(4)BE T g BE V m V E q V T T -+-∂=∂ 1.12g E eV =1.5m ≈-750BE V mV ≈300T K =1.5BE V T mV C ∂

∂≈-︒12

BE BE BE V V V ∆=-0012

ln ln ln T T T s s nI I V V V n I I =-=ln 0BE V k

n T q ∂∆=>∂(ln )

REF BE T V

V V n αβ=⨯+⨯1.5/BE V T mV C ∂∂≈-︒0.087/T V T mV C ∂∂≈︒1

α=(ln )(0.087/) 1.5/n mV C mV C

β⨯︒=︒(ln )17.2

n β⨯≈n

V R R V V T BE REF ln 1

23+=

当 时 V V

T

026.0=

可推得 REF V =1.197V

3、调试分析

采用管子的宽长比如下图

暂且设置电阻R1=26K ,R2=230K ，晶体管1并联为7，晶体管2、3均设置为1. 初次运行结果如下图

750BE

V mV ≈300

T K =

由上图可知在R2=460K的时候参考电压变化较小，进一步缩小R2扫描范围，从400K到460K仿真得到下图：经过PPM计算得到如下图的结果

PPM值已接近指标要求，但是输出电压高于指标要求，进一步分析发现，为减小输出电压，应减小M8管的宽长比，提高其过驱动电压，为此经过反复调试，最终确定M8管的

W=1.1um,L=625nm,进一步调整R2扫描范围从520K到540K，仿真结果如下：

经过计算PPM值得到如下结果：

由图可见PPM值在R2=525K时PPM值最小为18.28，为进一步得到最佳结果，采用优化处理，优化处理后仿真得到如下结果：

由上图可知在R2=524.8K时，得到最佳PPM值为18.02，基本符合指标要求。

输出噪声仿真结果如下图：可以看出带隙基准电压源的噪声主要由NM1、NM2、PM1、PM0的热噪声组成，总输出噪声为0.000657408V。